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神秘“深海鱼”,首次闯入马里亚纳海沟10900米深处

科技 5个月前 社科兔
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  直播:2021腾讯科学WE大会:跟“天字号”科学家一起洞察天机  

  位于西太平洋的马里亚纳海沟,被称为“地球第四极”。

  这里的最深处可达11千米,是世界目前已知的海洋最深处。如果把珠穆朗玛峰倒置在这里,将会完全被海水吞没。水压高、温度低、完全的黑暗,使马里亚纳海沟成为世界上最神秘,也是最难探索的地方。从1875年被发现开始,人类便从未停止了解它。

神秘“深海鱼”,首次闯入马里亚纳海沟10900米深处

  恐怖深海

  马里亚纳海沟的自然环境,可以用恐怖形容。

  根据压强计算公式,马里亚纳海沟1.1万米深度处的水压大约是1.1亿帕的压力,而我们所生活的环境中大气的压强大约为101Kpa,也就是万米水深压强的千分之一。你可以想象2000头非洲象踩在一个人的背上,亦或是一辆重型卡车压在你指甲盖上的感觉,那就是人类潜入万米深海所要付出的代价。

  此外,进入马里亚纳海沟意味着无尽的黑暗,阳光永远无法抵达这里。加上这里的温度几乎一直在0度左右,人类总是难以全面探索这里。

  2012年,好莱坞导演詹姆斯·卡梅隆曾独自乘坐一台名为“深海挑战者号”的深潜器进入马里亚纳海沟,这使他成为第一位只身潜入万米深海的人。当时,“深海挑战者号”配备了6.4厘米厚的承压钢板,观察孔则采用光学压克力纤维,只有这样高强度的装备才能抵挡住深海的高压,而这也让“深海挑战者号”的重量来到了12吨。如果人类总是如此全副武装,我们不知道要什么时候才能真正了解深海。

  那么,有没有一种更为轻便的深海探索方式呢?

  一条了不起的鱼

  生物对环境的适应,是一种复杂的机制,这对于人类的深海探险之旅有着莫大的启示。深海生物,一般会在体内细胞中生成了一些特殊的有机小分子(如氧化三甲胺),使其与水分子紧密结合,以便蛋白质具有更大的空间,并阻止水分子进入蛋白质内部,来保证自己能够承受如此巨大的压力而不会被压成薄片。

  在马里亚纳海沟深处,生活着一种深海狮子鱼。它大约只有一张A4纸那么大,却可以承受深海的超强压强,并在寒冷无光的深海中悠闲生活。科学家研究发现,深海狮子鱼的骨骼细碎状地分布在凝胶状柔软的身体中,有助于其在高压力环境下的生存与活动,能够帮助其承受近百兆帕的高压。而且,狮子鱼的皮肤组织仅仅为一层非常薄的层膜,它能使鱼体内的生理组织充满水分,时刻保持体内外压力的平衡,这就是它的抗高压秘诀[5]。

神秘“深海鱼”,首次闯入马里亚纳海沟10900米深处

  对深海狮子鱼的研究,为深海探测提供了一个全新思路。过去,我们的深海探测器寄希望于强硬的金属外壳来抵挡高压,但却从未想过,可以用一种软性材料来达到“以柔克刚”的效果。“造一个像深海狮子鱼那样的机器鱼,能行吗?”这个议题来到了浙江大学的李铁风团队的案头。

神秘“深海鱼”,首次闯入马里亚纳海沟10900米深处

  “仿生鱼”潜入万米深海

  李铁风,浙江大学航空航天学院教授,博士生导师。在项目之初,李铁风及其团队就有了很清晰的思路:采用“以柔克刚”的策略,模仿在在马里亚纳海沟捕获的深海狮子鱼样本,来实现无需耐压外壳,便可潜入万米深海的仿生软体机器人,将深海的“狮子鱼之力”化作“机器鱼之力”,以此遨游大海。

  2021年3月4日,顶级学术期刊《自然》(Nature)以封面文章的形式刊发了由浙江大学李铁风团队、中国科学院深海科学与工程研究所等联合完成的研究工作——仿生软体机器鱼。

  在2019年12月,这条机器鱼成功在马里亚纳海沟坐底,随深海着陆器下潜到约10900米的海底后,在电池驱动下,按照预定指令拍动翅膀长达45分钟,成功实现了电驱动软体机器鱼的深海驱动[7]。而相比于12吨重的“深海挑战者号”,这条鱼的重量几乎可以忽略不计。

神秘“深海鱼”,首次闯入马里亚纳海沟10900米深处

  科学的探索永无止境,李铁风等人从超深渊的狮子鱼分散式骨骼和摆动的胸鳍中获得了灵感,实现了无需耐压外壳、电驱动人工肌肉的软体机器鱼,而这只是万米深海探索的一个小小起步。

  它为我们带来思路:是否能够利用本项研究的机器人和相关的海底作业平台,组成一类新型的潜水器,同各种各样的作业机器人配合,共同完成海底,亦或是江河湖泊底部的探测以及巡查任务呢?更进一步,又能否模仿深海狮子鱼的组织架构,来形成鱼群一样的机器人组织,在协同算法的支撑下,共同完成更加细致完整的探索工作呢?

  也许,未来的深海探测工程都将被这样一条鱼所改变。

  11月6日腾讯科学WE大会,李铁风教授将带领大家踏上星辰大海的征程。一起来线上赴约吧!

  |参考资料

  [1]https://www.bilibili.com/bangumi/play/ep320672

  [2]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%A9%AC%E9%87%8C%E4%BA%9A%E7%BA%B3%E6%B5%B7%E6%B2%9F

  [3]https://en.wikipedia.org/wiki/Mariana_Trench

  [4]https://www.cas.cn/zt/kjzt/fdzhwmhs/

  [5]http://www.idsse.cas.cn/hykp2015/kpdt2015/201707/t20170703_4821417.html

  [6]https://www.youtube.com/watch?v=iPIwZ6AMq9A

  [7]http://sklofp.zju.edu.cn/skl/2021/0304/c27485a2254723/page.htm

  作者

  Serendipity

  浙江大学网络安全博士生

  计算机和网络安全领域科普作者

  本文转自腾讯科学WE大会

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月5日 下午2:16。
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